(57)【要約】【課題】燃料電池における触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部からの排水性を向上させる。【解決手段】拡散層５を介して触媒電極４ｂにガスを供給するガス流路６ｂを多孔体によって形成すると共に、ガス流路６ｂから拡散層５に向けてのガスの流れを発生させるために該多孔体内に拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部８を複数設ける。さらに、多孔体内における阻害部８同士の間隔がガスの出口側に比べてガスの入口側の方が小さくなるよう複数の阻害部８を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜及び該電解質膜に形成された触媒電極を有するＭＥＡと、
前記触媒電極の前記電解質膜と接触している面とは反対側の面に積層された拡散層と、
多孔体によって形成されており、前記拡散層の前記触媒電極と接触している面とは反対側の面に積層され、前記拡散層を介して前記触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスを供給するガス流路層と、を備えた燃料電池であって、
前記ガス流路層内において、前記拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部が該ガスの流れ方向に沿って互いに間隔を空けて複数設けられており、且つ、該阻害部同士の間隔がガスの出口側に比べてガスの入口側の方が小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記阻害部が、前記ガス流路層内における他の部分よりも気孔率の低い低気孔率部によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池においては、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）に形成
された一対の触媒電極それぞれの外側面（電解質膜と接触している面とは反対側の面）に拡散層が積層されている。そして、拡散層のさらに外側に設けられたガス流路から拡散層を介してそれぞれの触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスが供給される。
【０００３】
また、拡散層の外側からＭＥＡを挟持するセパレータに溝状のガス流路を形成する技術が知られている。特許文献１には、ガスの入口部が閉塞部材により閉塞された溝状のガス流路と、ガスの出口部が閉塞部材により閉塞された溝状のガス流路とを交互にストライプ上に並べてセパレータに形成する技術が開示されている。
【０００４】
また、ガス流路を多孔体によって形成する技術も知られている。特許文献２には、拡散層の外側に設けられ多孔体によって形成されたガス流路において、そのガス流れ方向に対して略垂直方向の断面積をガス流路の上流から下流に向けて小さくなるように構成する技術が開示されている。
【０００５】
ガス流路におけるガス流れ方向に対して略垂直方向の断面積をガス流路の上流から下流に向けて小さくすることで、ガス流路の上流から下流に向けてガスの流速を上昇させることが出来る。その結果、燃料電池全体で均一な発電を行うことが可能となり、また、ガス流路内に存在する生成水の排出を促進させることが可能となる。
【特許文献１】特開２００６−１２７７７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１３４５８２号公報
【特許文献３】特開２００７−１４９４２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＥＡとその触媒電極の外側に積層された拡散層とを備えた燃料電池では、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部において、生成水が凝縮し滞留する場合がある。このような生成水の滞留が生じると、該生成水によってガスの拡散が阻害され、その結果、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池における触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部からの排水性を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、拡散層を介して触媒電極にガスを供給するガス流路を多孔体によって形成すると共に、ガス流路から拡散層に向けてのガスの流れを発生させるために該多孔体内に拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部を複数設ける。さらに、多孔体内における阻害部同士の間隔がガスの出口側に比べてガスの入口側の方が小さくなるよう複数の阻害部を配置する。
【０００９】
より詳細には、本発明に係る燃料電池は、
電解質膜及び該電解質膜に形成された触媒電極を有するＭＥＡと、
前記触媒電極の前記電解質膜と接触している面とは反対側の面に積層された拡散層と、
多孔体によって形成されており、前記拡散層の前記触媒電極と接触している面とは反対側の面に積層され、前記拡散層を介して前記触媒電極に燃料ガス又は酸化ガスを供給するガス流路層と、を備えた燃料電池であって、
前記ガス流路層内において、前記拡散層に接触する面に沿った方向のガスの流れを阻害する阻害部が該ガスの流れ方向に沿って互いに間隔を空けて複数設けられており、且つ、該阻害部同士の間隔がガスの出口側に比べてガスの入口側の方が小さいことを特徴とする。
【００１０】
ガス流路層内においては、通常、拡散層に接触する面に沿った方向の流れを主流としてガスが流れている。本発明によれば、ガス流路層内に阻害部が形成されることにより、ガス流路層から拡散層に向うガスの流れ及び拡散層からガス流路層に向うガスの流れが生じる。このようなガスの流れによって、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部に滞留した生成水を除去し、排水させることが出来る。
【００１１】
また、ＭＥＡにおいては、ガス流路層におけるガスの入口側の方がガスの出口側に比べて発電量が多い。そのため、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部において滞留する生成水の量も、ガス流路層におけるガスの入口側の方がガスの出口側に比べて多い。
【００１２】
本発明によれば、ガス流路層内における阻害部同士の間隔がガスの出口側に比べてガスの入口側の方が小さくなっている。これにより、ガス流路層内に阻害部が形成されることによって生じる拡散層内部のガスの流れが、ガス流路層におけるガスの入口側においてガスの出口側に比べて強くなる。つまり、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部において滞留する生成水の量が多い部分に生じるガスの流れがより強くなる。
【００１３】
従って、本発明に係る構成によれば、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部からの排水性をより向上させることが出来る。
【００１４】
また、例えば、ガス流路層を溝状のガス流路が形成された構成体によって形成し、溝状のガス流路に複数の阻害部を設ける構成とした場合、阻害部同士の間隔が不均一となると、ガス流路層の拡散層に対する面圧が不均一となる。
【００１５】
しかし、本発明においては、ガス流路層が多孔体によって形成され、多孔体内に阻害部が形成される。そのため、阻害部同士の間隔が不均一の場合であっても、ガス流路層の拡散層に対する面圧を略均一にすることが出来る。
【００１６】
本発明においては、阻害部を、ガス流路層内における他の部分よりも気孔率の低い低気孔率部によって形成してもよい。
【００１７】
多孔体においては気孔率を低くするとガスの圧損が大きくなる。従って、低気孔率部によって阻害部を形成することが出来る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＭＥＡとその触媒電極の外側に積層された拡散層とを備えた燃料電池において、触媒電極と拡散層との界面及び拡散層内部からの排水性を向上させることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る燃料電池の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がな
い限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２０】
＜第一実施例＞
（燃料電池の単セルの概略構成）
図１は、本実施例に係る燃料電池を構成する単セル１の断面図である。尚、本実施例に係る燃料電池は高分子電解質形燃料電池である。
【００２１】
単セル１はＭＥＡ２を有している。ＭＥＡ２は、電解質膜３及び電解質膜３に形成された一対の触媒電極４ａ、４ｂによって構成されている。図１においては、４ａがアノード側触媒電極を示しており、４ｂがカソード側触媒電極を示している。
【００２２】
アノード側触媒電極４ａ及びカソード側触媒電極４ｂそれぞれの電解質膜３と接触している面とは反対側の面には拡散層５が積層されている。さらに、各拡散層５の触媒電極４ａ、４ｂと接触している面とは反対側の面には、多孔体によって形成されたガス流路層６ａ、６ｂが積層されている。
【００２３】
アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａには燃料ガスとして水素ガスが流れる。このガス流路層６ａを流れる水素ガスが、拡散層６ａを介してアノード側触媒電極４ａに供給される。このとき、拡散層６ａにおいて水素ガスの拡散が促進される。一方、カソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂには酸化ガスとして空気が流れる。このガス流路層６ｂを流れる空気が、拡散層６ｂを介してカソード側触媒電極４ｂに供給される。このとき、拡散層６ｂにおいて空気の拡散が促進される。図１において、ガス流路層６ａ側の矢印は水素ガスの流れを表しており、ガス流路層６ｂ側の矢印は空気の流れを表している。
【００２４】
拡散層６ａにおいて水素ガスの拡散が促進されることで、アノード側触媒電極４ａの全体に略均一に水素ガスが供給される。また、拡散層６ｂにおいて空気の拡散が促進されることで、カソード側触媒電極４ｂの全体に略均一に空気が供給される。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることが出来る。
【００２５】
また、各ガス流路層６ａ、６ｂの外側にはセパレータ７が設けられている。このセパレータ７によって、ＭＥＡ２、拡散層５及びガス流路層６ａ、６ｂが挟持されている。
【００２６】
本実施例に係る燃料電池は、上記のような単セル１が複数積層されることで構成される。
【００２７】
（ガス流路層の概略構成）
次に、本実施例に係るガス流路層の構成について図２に基づいて説明する。図２は、本実施例に係るカソード側触媒電極４ｂ側の拡散層５及びガス流路層６ｂの断面図である。
【００２８】
上記単セル１によって構成される燃料電池では、各触媒電極４ａ、４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部において、生成水が凝縮し滞留する場合がある。特に、カソード側触媒電極４ｂ側においては生成される水の量が多いため生成水が滞留し易い。カソード側触媒電極４ｂ側の拡散層５との界面及び拡散層５内部において、このような生成水の滞留が生じると、空気の拡散が該生成水によって阻害され、カソード側触媒電極４ｂの全体に空気が均一に供給され難くなる。その結果、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。
【００２９】
そこで、本実施例においては、カソード側触媒電極４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部に滞留する生成水の排水性を向上させるために、カソード側触媒電極４ｂ側のガス流路層６ｂを以下のような構成とした。
【００３０】
ガス流路層６ｂにおいては、図２における下端が空気の入口となっており、上端が空気の出口となっている。そして、ガス流路層６ｂ内においては、実線の矢印で示すような拡散層５に接触する面に沿った方向に空気が流れる。
【００３１】
本実施例に係るガス流路層６ｂ内においては、このような空気の流れに略直交する向きに延在する低気孔率部８が複数形成されている。該低気孔率部８はガス流路層６ｂ内における他の部分よりも気孔率の低くなっている。各低気孔率部８は、拡散層５に接触する面に沿った方向に互いに間隔を空けて層状に形成されている。
【００３２】
低気孔率部８では空気の圧損が大きくなるため、拡散層５に接触する面に沿った方向の空気の流れが低気孔率部８によって阻害される。そのため、ガス流路層６ｂ内を流れる空気のうち、一部は低気孔率部８を通過するが、その他の空気は拡散層５に向って流れる。
【００３３】
その結果、図２において一点鎖線の矢印で示すような、ガス流路層６ｂから拡散層５に向う空気の流れ及び拡散層５からガス流路層６ｂに向う空気の流れが生じる。このような空気の流れによって、カソード側触媒電極４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部に滞留した生成水を除去し、排水させることが可能となる。
【００３４】
また、ＭＥＡ２においては、ガス流路層６ｂにおける空気の入口側の方が空気の出口側に比べて発電量が多い。そのため、カソード側触媒電極４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部において滞留する生成水の量も、ガス流路層６ｂにおける空気の入口側の方が空気の出口側に比べて多い。
【００３５】
そこで、本実施例に係るガス流路層６ｂ内では、図２に示すように、空気の入口側における低気孔率部８同士の間隔を空気の出口側に比べて小さくする。つまり、低気孔率部８同士の間隔を空気の入口側から出口側に向けて徐々に大きくする。これにより、カソード側触媒電極４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部において滞留する生成水の量が多い部分（即ち、ガス流路層６ｂにおける空気の入口側）ほど、そこに生じる空気の流れをより強くすることが出来る。
【００３６】
従って、本実施例に係る構成によれば、カソード側触媒電極４ｂと拡散層５との界面及び拡散層５内部からの排水性をより向上させることが出来る。
【００３７】
尚、低気孔率部８の透気度は、拡散層５の透気度よりも小さく且つその１／５以上であることが望ましい。低気孔率部８の透気度をこのような値とすることにより、低気孔率部８を通過する空気量と拡散層５側に流れる空気量との比率を好ましいものとすることが出来る。
【００３８】
本実施例においては、低気孔部８が本発明に係る阻害部に相当する。低気孔率部８に代えて、樹脂（例えば、アイオノマー）又は金属等を含浸させることで、本発明に係る阻害部を形成してもよい。この場合、気孔率が零の物質によって阻害部を形成してもよい。また、ガス流路層６ｂの低気孔率部８に当たる部分の断面積を他の部分よりも小さくする、又は、当該部分の断面方向の一部を閉塞することで、本発明に係る阻害部を形成してもよい。
【００３９】
また、カソード側触媒電極４ｂ側のみならず、アノード側触媒電極４ａ側の拡散層５との界面及び拡散層５内部にも生成水が滞留する場合がある。そのため、アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａを上記と同様の構成としてもよい。これによれば、アノード側触媒電極４ａと拡散層５との界面及び拡散層５内部からの排水性をより向上させることが出来る。
【００４０】
＜第二実施例＞
（燃料電池の単セルの概略構成）
以下、本実施例に係る燃料電池を構成する単セルにおいて、第一実施例に係る構成と異なる部分について図３に基づいて説明する。
【００４１】
図３は、本実施例に係るカソード側触媒電極４ｂ側の拡散層５、ガス流路層６ｂ及びセパレータ７の断面図である。本実施例においては、図３に示すように、ガス流路層６ｂとセパレータ１０との間に排水用の空間となる排水溝９が設けられている。
【００４２】
このような排水溝９を設けることにより、低気孔率部８が設けられることで生じた空気の流れによって拡散層５内部から排水された生成水が該排水溝９に流入する。そのため、拡散層５内部から排水された生成水が拡散層５内部に戻ることを抑制することが出来る。その結果、アノード側触媒電極４ａと拡散層５との界面及び拡散層５内部における生成水の滞留をより抑制することが可能となる。
【００４３】
尚、アノード側触媒電極４ａ側のガス流路層６ａとセパレータ７との間にも上記排水溝９と同様の排水溝を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第一実施例に係る、燃料電池を構成する単セルの断面図。
【図２】第一実施例に係るカソード側触媒電極側の拡散層及びガス流路層の断面図。
【図３】第二実施例に係るカソード側触媒電極側の拡散層、ガス流路層及びセパレータの断面図。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・単セル
２・・・ＭＥＡ
３・・・電解質膜
４ａ・・アノード側触媒電極
４ｂ・・カソード側触媒電極
５・・・拡散層
６ａ・・ガス流路層
６ｂ・・ガス流路層
７・・・セパレータ
８・・・低気孔率部
９・・・排水溝
【図１】
2010108708.tif 000003
【図２】
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【図３】
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